Đang tải... (xem toàn văn)
Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất. Bởi vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất.
Mục lục I. Giới thiệu 1. Đặt vấn đề 2. Các phương pháp đo nhiệt độ 3. Nhiệm vụ thiết kế II. Tổng quan về phần cứng 1. Sơ đồ khối 2. Giới thiệu về các thiết bị. 2.1. LM335 2.2. ADC0809 2.3. Bộ vi xử lý 8051 2.4. Khối phím ấn 2.5. Hiển thị Led 2.6. RS 232 2.7. Nguồn III. Phần mềm 1. Lưu đồ thuật toán 1.1 Lưu đò thuật toán đọc ADC 1.2 Lưu đồ thuạt toán phục vụ ngắt phím 1.3 Lưu đồ kiểm tra 1.4 Lưu đồ truyền tin 2. Phần mềm chương trình IV. Đánh giá sai số V. Kết luận,tài liệu tham khảo 1 I. Giới thiệu 1. Đặt vấn đề Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất. Bởi vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó,ví dụ như áp suất ,thể tích của một chất khí . Bởi vậy, trong các nghiên cứu khoa học , trong công nghiệp và đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết. Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của nhiệt độ lại là vấn đề không đơn giản. Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của các hệ vi xử lý,việc đo nhiệt độ áp dụng vi xử lý,vi điều khiển đã mở ra nhiêu hướng,đưa đến nhiều phương pháp khác nhau,linh hoạt và chính xác hơn. Có nhiều cách để đo nhiệt độ , trong đó có thể liệt kê một số phương pháp sau đây: - Phương phỏp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (do hiệu ứng Doppler). -Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn , của chất lỏng hoặc khí (với áp suất không đổi ) , hoặc dựa trên tốc độ âm. -Phương pháp dựa trên sự phụ thuộc của đIện trở vào nhiệt độ , hiệu ứng Sêbeck , hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. 2. Các phương pháp đo nhiệt độ Trước tiờn núi về cỏc cảm biến nhiệt độ,đó là các cảm biến được sử dụng vào các quá trình nhiệt như: đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt.v.v. .Đại lượng vào của cảm biến nhiệt độ là nhiệt độ và đại lượng ra là tín hiệu điện (dòng,áp).Một số cảm biến thường sử dụng: +Nhiệt điện trở : Nguyên lý làm việc là có điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của nó.Tuỳ theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta phân ra: Nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng • Nhiệt điện trở đốt nóng ,dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ môi trường(100°C -800°C), nên có sự toả nhiệt ra môi trường xung quanh, như nhiệt dẫn, đối lưu, bức xạ . • Nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như đo di chuyển. Nhiệt điện trở phân làm hai loại: Nhiệt điện trở dây(nhiệt điện trở đồng,nhiệt điện trở Platin, nhiệt điện trở Niken) và nhiệt điện trở bán dẫn. +Cặp nhiệt điện:Nguyên lý làm việc dựa trên 2 hiệu ứng:Thomson và Seebek Ứng dụng của cặp nhiệt điện chủ yếu để đo nhiệt độ, ngoài ra nó còn dược dùng để đo các đại lượng không điện và điện khác như: đo dòng điện ở tần số cao,đo hướng chuyển động và lưu ượng của các dòng chảy, đo di chuyển , đo áp suất nhỏ +Cảm biến nhiệt độ dùng đặc tính diode và tranzitor Đo nhiệt độ là nhiệm vụ thường gặp trong các ngành nhiệt học, hoá học ,luyện kim .Tuỳ theo nhiệt độ đo mà có thể dùng các phương pháp đo khác nhau.Thông thường nhiệt độ đo được chia thành 3 giải : Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.Ở nhiệt độ trung 2 bỡnh v thp, phng phỏp o thng l tip xỳc ngha l cỏc chuyn i c t trc tip ngay mụi trng cn o. i vi nhit cao,o bng phng phỏp khụng tip xỳc, ngha l dng c o t ngoi mụi trng o. Mt trong s nhng cỏch ú l o nhit khụng tiộp xỳc s dng cm bin LM335 3. Nhim v thit k Thit k h b VXL o nhit s dng VK89C51 v cm bin LM335 gii quyt nhng vn sau: - Thit k mch o nhit trong di t 0 o C-100 o C v hin th. - Cnh bỏo khi nhit ln hn 80 o C v khi nh hn 20 o C - Kt ni truyn thụng tin o c vo mỏy tớnh - Vit chng trỡnh phn mm gii quyt nhng vn trờn II. Tng quan v phn cng 1. S khi 2. Gii thiu v cỏc khi 2.1 Khi cm bin LM335 LM335 là cảm biến nhiệt độ có khoảng đo từ -40 0 C đến +100 0 C, độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy.Tín hiệu ngõ ra tuyến tín với tín hiệu ngõ vào. Công dụng của LM335: + LM335 có độ biến thiên theo nhiệt độ là: 10mV/K O + Có sự ổn định cao: ở 25 O C chỉ có sai số 1%. + Chỉ tiêu kĩ thuật: Cm bin LM335 Mch khuch i ADC VK 8051 Khi bn phớm Khi hin th LED PC 3 - Tiêu tán công suất thấp. - Dòng làm việc từ 4.10 -4A 5.10 -3 A - Dòng ngợc 15mA - Dòng thuận 10mA - Sự biến thiên của điện thế theo nhiệt độ có hàm V OUT = 0.01xT O K = 2.73 + 0.01xT O C + Cấu trúc của bộ cảm biến LM335 là loại cảm biến có 3 chân tín hiệu ra tơng tự 2.2 Khi iu chnh in ỏp hay mch khuộch i Đầu đo dới dạng vi mạch LM 335 là một đầu đo nhiệt độ đơn giản và chính xác ,có điện áp lối ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ của đầu đo. Đầu đo này không cần đến linh kiện ở ngoài nên không cần chuẩn lại ở những nhiệt độ khác nhau .Trong vùng nhiệt độ phòng , độ chính xác đạt cỡ 0,25 0 C .Dòng điện tiêu thụ cỡ 60uA nên có thể bỏ qua sự tăng nhiệt độ đầu đo dòng điện nuôi tạo ra . Tơng ứng với dải nhiệt độ đo di t 0 o C-100 o C thì điện áp ra tuyến tính là 2.73- 3.73V.Ta điều chỉnh biến trở R20 để ở 25 0 C thì điện áp ra ở chân 2 của cảm biến là 2.98V. - iện áp ra của cảm biến là từ 2.73-3.73V ,trong khi thang điện áp vào làm việc của ADC0809 là 0-5V ,do vậy ta cần tiến hành chuẩn hóa tín hiệu trớc khi đa đến ADC. .Sơ đồ mạch thực hiện việc đó nh trên .Nguyên lý hoạt động của mạch đó là: + Dùng một đi ốt zener và một nguồn nuôi để tạo ra điện áp ổn định 5V. 4 V out VR +5V LM335 + Điện áp này đợc nối với một biến trở R21 nối đất. Dùng biến trở này để điều chỉnh điện áp vào bộ đệm là 2.73V. Bộ đệm dùng để hạn chế dòng điện trong mạch . + Qua bộ đệm điện áp vẫn là 2.73V . Điện áp này đợc đa đến một mạch trừ. + Bộ trừ đợc nối với các điện trở nh hình vẽ . Giá trị của các điện trở đợc cho nh trên hình. Với cách mắc nh vậy điện áp ra của bộ trừ là : Vout = Vin(+) Vin(-) Ta có : Vin(+) = 2.73 - 3.73 V Vin(-) = 2.73V Do vậy : Vout = 0 - 1V Ta đã đạt đợc yêu cầu về điện áp. Và cũng để hạn chế dòng điện ta phải đa điện áp này vào ADC qua một bộ đệm nh trên hình vẽ. Ta cần hiển thị kết quả ra LED ,muốn vậy cần có sự đồng nhất : Nhiệt độ đo( 0 C ) Mã nhị phân ở đầu ra của ADC + Điện áp ở lối ra của LM335 là 10mV / 0 C + Do vậy vấn đề này đợc giải quyết bằng cách đặt điện áp ở các chân Vref của ADC thích hợp. Nh ta đã biết ADC 0809 có 8 bít ở đầu ra nên có: 2 8 - 1 = 255 ( bậc thang ) Ta s dng ngun 5V,v 1 bin tr to ra V ref (+) ca ADC0809 l 2.55V, Nờn suy ra in ỏp (ref)=2.55V . Kích cỡ bậc thang là : 2.55/ 255 =0.01(V) - Điện áp đa tới chân vào của ADC là 0 - 1 V tơng ứng với nhiệt độ đầu đo của cẩm biến là 0 - 100 0 C - Tín hiệu lối ra của cảm biến 10mV / 0 C. - Kích cỡ bậc thang 10mV 2.3Khi chuyn i ADC - s dng ADC0809 Có nhiều phơng pháp để chuyển đổi một đại lợng tơng tự sang giá trị số nh: - ADC dạng sóng bậc thang :lớp ADC đơn giản này sử dụng bộ đếm nhị phân làm thanh ghi và cho phép xung nhịp đẩy bộ đếm tăng mỗi lần một bớc,cho đến khi VAX # VA. ADC loại này gọi là ADC sóng bậc thang vì dạng sóng tại VAX có từng bậc đi lên . ADC dạng sóng bậc thang bao gồm một bộ đếm ,một DAC ,một bộ so sánh tơng tự ,và một cổng AND điều khiển . Đầu ra bộ so sánh dùng làm tín hiệu điều khiển kết thúc chuyển đổi EOC-tớch cc mc thp *Ưu điểm: +Tơng đối đơn giản +Phù hợp với các ứng dụng tốc độ chậm. *Nhợc điểm:Nếu tăng số bit để tăng độ phân giải thi khi đó chỉ cần thêm 1 bit ,thời gian chuyển đổi đã tăng gấp đôi.Nh vậy tăng độ phân giải thì thời gian chuyển đổi kéo dài.Vì thế ADC loại này không phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tơng tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số. - ADC liên tiếp-xấp xỉ(ADC0804,ADC0809 .). 5 Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi , nhưng mạch điện có phức tạp nhưng thời gian chuyển đổi ngắn hơn . Phương pháp này có thời gian chuyển đổi không phụ thuộc vào điện áp ngõ vào . Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp Hoạt động Khi tác động cạnh xuống của xung Start thì ADC bắt đầu chuyển đổi -Mạch logic điều khiển đặt bit có nghĩa lớn nhất của thanh ghi diều khiển lên mức cao và tất cả các bit còn lại ở mức thấp . Số nhị phân ra ở thanh ghi điều khiển được qua mạch DAC để tạo ra điện áp tham chiếu V’ a . Nếu V’ a > V a thì ngõ ra bọ so sánh xuống mức thấp làm cho mạch logic diều khiển xóa bit MSB xuống mức thấp Nếu V’ a <V a thì ngõ ra bọ so sánh ở mức cao làm cho mạch logic điều khiển giữ bit MSB ở mức cao . Tiếp theo mạch logic điều khiển đưa bit có nghĩa kế bit MSB lên mức cao và tạo ở ngõ ra khối DAC một điện áp tham chiếu V’ a rồi đem so sánh tương tự như bit MSB như trên . Quá trình này cứ tiếp tục cho đến bit cuối cùng trong thanh ghi điều khiển . Lúc đó thì V’ a gần bằng V a ngõ ra của mạch logic điều khiển báo kết thúc chuyển đổi . Như vậy mạch đổi ra n bit chỉ mất n chu kì xung clock nên có thể đạt tốc độ rất cao . Tuy nhiên mạch ADC xấp xỉ liên tiếp lại không thể đáp ứng với tín hiệu tương tự vào biến đổi cực nhanh . - ADC chuyển đổi nhanh(MC10319,AD9010, . ) +Bộ chuyển đổi nhanh (fast converter)là loại ADC có tốc độ cao nhất nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác.Chẳng hạn,ADC nhanh N bit cần 2N-1 bộ so sánh,2N điện trở và logic mã hoá cần thiết. + Bộ chuyển đổi nhanh không cần tín hiệu xung nhip vì tiến trình chuyển đổi xảy ra liên tục. + Thời gian chuyển đổi là thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số đáp lại một thay đổi ở đầu vào tương tự,chỉ phụ thuộc vào khoảng trễ do truyền của bộ so sánh và bộ mã hoá.Do đó ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng ngắn ngủi: 6 Clock Start EOC V A V’ A + _ DAC Thanh ghi điều khiển Logic điều khiển MSB LSB VD:MC10319(Motorola)-8 bit: tc<20ns AD9010(Analog Devices)-10 bit: tc<15ns. Ngoài ra còn một số phương pháp khác như:ADC sóng bậc thanh lên/xuống;ADC tích hợp hai độ dốc;ADC chuyển đổi điện thế thành tần số; điều biến sigma/delta. TỔNG QUAN Về ADC 0809: ADC0809 là bộ chuyển đổi tương tự-số 8 bit 8 đầu vào tương tự được dồn kênh bởi 1 bộ dồn kênh tích hợp sẵn trên chip ADC.Như vậy một mặt nó không cần bộ dồn kênh tương tự ngoài ,mặt khác lại cho phép có nhièu đầu vào hơn, Điều này rất thuận tiện cho việc đo ,giám sát các đại lương vật lý ở nhiều điểm đo khác nhau. ADC0809 có 8 kênh đầu vào tương tự .Như vậy ADC0809 cho phép giám sát đồng thời 8 bộ cảm biến,8 kênh đầu vào tương tự được dồn kênh và được chọn nhờ nhờ 3 chân địa chỉ A,B,C . ADC0809 hoạt động theo phương pháp liên tiếp-xấp xỉ. Các đặc tính: -Dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý -Bộ dồn kênh 8 đầu vào với logic địa chỉ -Dải điện áp đầu vào 5V và nguồn cấp 5 V Một vài thông số kỹ thuật chính: -Độ phân giải: 8 bit -Sai số : +/- 1LSB -Nguồn cung cấp: 5V . -Công suất: 15mW. -Tốc độ chuyển đổi: <100us Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ADC0809: Các chân của ADC0809 7 Sơ đồ chân của ADC0809 -Vcc: Chân cấp nguồn. Điện áp nguồn:5V -GND: Chân nối đất. - V ref (+) và V ref (-) Hai chân đưa điện áp tham chiếu. Thường V ref (-) nối đất.Trong bài V ref (+) được nối với nguồn 5V và một biến trở 10k để lấy ra V ref (+)=2.55V -IN0->IN7(Input):-8 kênh đầu vào tương tự. - ADDA,ADDB,ADDC là 3 chân chọn kờnh đầu vào. A,B,C la 3 bit chọn 1 trong 8 kênh đầu vào của 1 Multiplexer tương tự được tích hợp trong bộ ADC0809. -ALE(Address Latch Enable): Chân để chốt địa chỉ (kênh vào). - Start: Chân gửi tín hiệu bắt đầu chuyển đổi. - EOC(End off Convertion):Chân nay để gửi tín hiệu kết thúc chuyển đổi. - OE(Output Enable): Chân gửi tín hiệu cho phép lấy số liệu số ở đầu ra. - 01->08: là 8 chân tương ứng 8 bit đầu ra của số liệu 8 bit đã được chuyển đổi. - CLK: Chân tín hiệu Clock , để gửi tín hiệu xung đồng hồ để ADC làm việc . CHỨC NĂNG & HOẠT ĐỘNG CỦA ADC0809 * Sơ đồ khối chức năng của ADC0809: 8 *ADC0809 thể hiện trên sơ đồ trên có thể dược chia theo chức năng thành 2 mạch con cơ bản.Hai mạch con này là một bộ dồn kênh và một bộ chuyển đổi A/D. -Bộ dồn kênh sử dụng 8 khoá tương tự công nghệ CMOS chuẩn để cung cấp một trong 8 đầu vào tương tự.Các khoá được điều khiển chọn,tuỳ thuộc vào số liệu được chốt ở thanh ghi địa chỉ bộ dồn kênh (multiplexer address register) 3 bit. - Khối chức năng thứ hai là bộ chuyển đổi A/D liên tiếp-xấp xỉ,chuyển tín hiệu tương tự đầu ra của bộ dồn kênh thành một từ số 8 bit. Đầu ra bộ dồn kênh sẽ đi đến một trong hai đầu vào của bộ so sánh. Đầu vào kia nhân được từ 1 thang điện trở 256R được mắc vào một cây khoá dùng transistor MOSFET (MOSFET transistor switch tree).Logic điều khiển bộ chuyển đổi sẽ điều khiển switch tree, đưa điện áp tương ứng chảy ra(funneling a particular tap voltage) đến bộ so sánh. Đặt cơ sở cho kết quả của sự so sánh này,bộ logic điều khiển và thanh ghi liên tiếp xấp xỉ(SAR)sẽ quyết định điện áp được chọn để lấy ra sẽ cao hơn hay thấp hơn giá trị hiện tại trên thang điện trở.Tiến trình(algorithm)này được thực hiện 8 lần trong 1 chuyển đổi,mỗi chuyển đổi cần 8 chu kỳ đồng hồ.Như vậy tổng cộng thời gian chuyển đổi là 64 chu kỳ đồng hồ. -Khi một chu kỳ chuyển đổi hoàn thành,số liệu kết quả được đưa vào bộ chốt đầu ra 3 trạng thái.Số liệu trong bộ chốt đầu ra có thể sau đó có thể được đọc bởi một hệ thống tiếp nhận số liệu(host system) bất cứ lúc nào trước khi kết thúc chu kỳ chuyển đổi tiếp theo .Khả năng 3 trạng thỏi của bộ chốt cho phép giao tiếp dễ dàng với các hệ thống bus định hướng(bus oriented systems). -Thực hiện hoạt động của các bộ chuyển đổi này bằng một bộ vi xử lý hoặc một số logic điều khiển thì rất đơn giản.Thiết bị điều khiển đầu tiên sẽ chọn kênh vào. Để làm điều này ,một địa chỉ kênh 3 bit được áp vào các chân A,B,C;và chân ALE (Address Latch Enable) được đưa xung tích cực để khoá địa chỉ vào thanh ghi địa chỉ bộ dồn kênh. 9 - Để bắt đầu chuyển đổi,chân START được áp xung tích cực. ở sườn lên của xung này,những thanh ghi trong được xoá và ở sườn xuống sự chuyển đổi được bắt đầu. Cần 8 chu kỳ đồng hồ trong mỗi lần xấp xỉ.Dù là không có chuyển đổi trong quá trình đó,ADC0809 vẫn quay vòng ở bên trong(internally cycling) qua 8 chu kỳ đồng hồ.Một xung start có thể xuất hiện bất cứ lúc nào trong suốt quá trình này nhưng sự chuyển đổi sẽ không thật sự bắt đầu đến khi bộ chuyển đổi quay vòng bên trong đến khi bắt đầu chuỗi 8 chu kỳ đồng hồ sau.Chỉ cần chân START được giữ ở mức cao thì sẽ không có chuyển đổi,nhưng khi chân start đựơc đưa xuống thấp sự chuyển đổi sẽ bắt đầu trong khoảng thời gian 8 chu kỳ đú. -Đầu ra EOC được lật ở sườn lên của xung start.Nó cũng được điều khiển bởi chu trình gồm 8 chu kỳ đồng hồ,nên nó sẽ xuống thấp trong khoảng thời gian 8 chu kỳ đồng hồ khi xảy ra sườn lên của xung start . Sơ đồ thời gian của ADC0809: Kênh được chọn C B A IN0 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 10 [...]... INC(+) 0 1 OK 0 0 20 B H H L L H H L L H H C H H L L L L H H H H C 0 0 0 0 EO H L H H H H H H H H 2.6 Hin th Led Sử dụng 1 LED 4digit để hiển thi nhiệt độ Tín hiệu từ P2 của khối Vi xử lý đợc đua qua bộ giải mã LED 7 thanh 74LS47 đến LED 7 thanh Nhiệt độ môi trờng đợc đo trong khoảng 0OC đến 100OC và hiển thị trên LED 2.7 RS 232 Max 232 l mch truyn tin cụng nghip khi Master gi Slave thỡ m phiờn truyn tin.Vic... n Khi phớm gm 4 phớm l :Func,DEC,INC,OK.Khi bm vo phớm no VXL s gi chng trỡnh phc v ngt phớm.Cỏc phớm ny c dựng tng v lu giỏ tr nhit - Phớm FUNC :lu giỏ tr cnh bỏo max - Phớm DEC: tng giỏ tr nhit t - Phớm INC: gim giỏ tr nhit t - Phớm OK: lu giỏ tr cnh bỏo min Ta dựng vi mach 74LS148 gii mó phớm.Khi n nỳt vi mch s phỏt ra 1 ngt cho VXL bit nhn mó phớm vo c im chớnh ca vi mch 74LS148 -L 1 IC... hiu hn v cu to ,hot ng v ng dng ca VK,c bit l VK89C51.Chỳng em xin chõn thnh cm n thy Hong S Hng v cỏc thy cụ trong b mụn ó giỳp v to iu kin thun li cho chỳng em Ti liu tham kho -K thut VXL v lp trỡnh Assembly cho h VXL- Xuõn Tin -H vi iu khin 8051-Nguyn Tng Cng 31 ... ngoi EX0 (ADC bin di xong) To xung OE cho phộp c d liu t ADC Ct d liu ly t ADC vo thanh Ro Hin th nhit mụi trng Kim tra nhit cnh bỏo END 1.2 phc v ngt phớm 24 Call Key_sev Key-SRV Cm tt c cỏc ngt gi n VXL Ct cỏc thanh ghi s dựng c mó vo thanh ghi ACC Tang muc thap ACC=0 0 Giam muc thap ACC=0 1 Tang muc cao ACC=1 0 Giam muc cao ACC=1 1 RETI 25 1.3 Lu kim tra Gi Red_Led T>Tma x Gi Blue_Led T . nhng c ch ú l o nhit kh ng tiộp x c s dng cm bin LM335 3. Nhim v thit k Thit k h b VXL o nhit s dng VK8 9C5 1 v cm bin LM335 gii quyt nhng vn sau:. x c ngha l c c chuyn i c t trc tip ngay m i trng cn o. i vi nhit cao ,o bng phng phỏp kh ng tip x c, ngha l dng c o t ngoi m i trng o. Mt trong s nhng